水分子結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究綜述

黎禮麗 朱伯和 黃靜文

摘 要：水是生命之源，水分子的3個(gè)原子成104.5°角（V型結(jié)構(gòu)），這種V型結(jié)構(gòu)使水分子具有較強(qiáng)的極性，極性使水分子之間形成氫鍵。在自然界中，液態(tài)水是以由若干個(gè)水分子通過氫鍵作用聚集在一起的水分子團(tuán)簇的形式存在的。本文分析了水的分子結(jié)構(gòu)、小分子水的形成原理、制備方法及其與人體健康的關(guān)系，簡單論述了小分子水在食品和煙草行業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氫鍵;分子團(tuán)簇;小分子水;定向調(diào)控;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S-3 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830017

引言

水是地球表面最多的分子，是生命生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分。H2O是有2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子構(gòu)成的，氫原子和氧原子通過分享1對電子形成氫鍵，3個(gè)原子形成104.5°角，呈V型結(jié)構(gòu)，這種V型結(jié)構(gòu)使水分子正負(fù)電荷向兩端集中，使水分子具有較強(qiáng)的極性，極性使水分子之間形成氫鍵。

自然界中的液態(tài)水并不是以單個(gè)分子（H2O）的形式存在的，而是以若干個(gè)水分子通過氫鍵作用而聚集在一起的水分子團(tuán)簇的形式存在，常稱為“水分子團(tuán)”。所以，不同種類水的分子團(tuán)簇大小是不一樣的。

水自身是沒有磁性的，但是水的原子核能感受外部磁性，且能做出一定的反應(yīng)，所以可以利用核磁共振技術(shù)來測定水分子團(tuán)簇的大小。目前，通常以核磁共振測定的水震動(dòng)頻率的半幅寬度來表示水分子團(tuán)簇的大小，半幅寬越大，水分子團(tuán)簇越大，半幅寬越小，水分子團(tuán)簇越小[1]。想要改變水分子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，就必須破壞水分子之間的氫鍵。水分子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)改變，水的物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生不同的變化，如其滲透力、溶解力變強(qiáng)/弱，pH值、密度、電導(dǎo)率增大/減小等[2-5]。

1 小分子水（活性水）

水在自然界中以3種形態(tài)存在：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，水在氣體和液體之間保持動(dòng)態(tài)平衡。水分子間的氫鍵是一種分子間的力，在液態(tài)的水中，處于一種不停地?cái)嚅_、結(jié)合的動(dòng)態(tài)平衡中。水的締合大分子團(tuán)發(fā)生裂解分離，由原來的數(shù)十個(gè)或更多分子組成的水分子團(tuán)簇變成由6～8個(gè)水分子組成的小團(tuán)簇，即小分子團(tuán)水[3，4，7]。水分子越小，其活性越大，小分子團(tuán)水呈弱堿性，具有較強(qiáng)的滲透性、溶解力和擴(kuò)散力[5]。日常生活中的水是由15～40個(gè)水分子組成，常稱為“大分子團(tuán)水”，如自來水由12～13個(gè)水分子組成，121Hz;純凈水由30～40個(gè)水分子組成，其半幅寬為149Hz[6]。巴馬長壽村的水、冰川水均為天然小分子水，由3～6個(gè)水分子組成，其半幅寬為61～66Hz[1]。海水，胎兒的羊水也都是小分子團(tuán)水。

2 破壞水分子結(jié)構(gòu)的方式

在室溫下，水一般是以30～40個(gè)水分子締合成分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)存在的，水分子之間依靠氫鍵形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。水的分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)是一種不停地?cái)嚅_、結(jié)合的動(dòng)態(tài)平衡，其只能穩(wěn)定存在10～12s左右。破壞水分子間的氫鍵，就可以改變水分子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。水分子的氫鍵具有2.7～4.1μm的光子能量，要破壞水分子間的氫鍵，必須用大于氫鍵的能量，使大分子團(tuán)水變?yōu)樾》肿訄F(tuán)水[6]。

2.1 加熱

水分子簇的大小與水的溫度、離子濃度及環(huán)境的變化有關(guān)，改變水分子團(tuán)簇中水分子的數(shù)量，最簡便的方法之一是加熱，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)速度越快，越不利于氫鍵的形成，當(dāng)加熱溫度達(dá)到100℃時(shí)，液態(tài)水就會(huì)變成水蒸氣，水蒸氣為接近單分子或小分子結(jié)構(gòu)的水[7]。

2.2 外加能量場

氫鍵的存在使水分子間形成獨(dú)特而易變的結(jié)構(gòu)，可通過外加能量場如電場、磁場、遠(yuǎn)紅外線等破壞水分子氫鍵，改變分子團(tuán)簇的大小。外加磁場可使水中氫鍵網(wǎng)絡(luò)的電子云產(chǎn)生微弱變形或者擾動(dòng)，部分氫鍵被破壞[8];外加電場可使水分子的部分氫鍵斷裂，水中出現(xiàn)過量的超氧陰離子自由基、過氧化氫及自由質(zhì)子，水中生成的離子具有較強(qiáng)的順磁性[9]。遠(yuǎn)紅外線（波長4～400μm）是一種電磁波，也是一種光電子流，水分子的O-H鍵的伸縮振動(dòng)和2個(gè)O-H鍵之間的變形剪式振動(dòng)及氫鍵振動(dòng)頻率都在中紅外區(qū)（2.5～25μm）附近，根據(jù)振頻相近快速傳能的原理，可以選擇頻率相近的激光作為輻射光源，水分子在遠(yuǎn)紅外輻射能量的作用下，水的大分子結(jié)構(gòu)可發(fā)生裂解，形成由較少水分子組成的小水分子團(tuán)簇[10]。

3 小分子團(tuán)水與人體健康

小分子團(tuán)水具有較小的分子結(jié)構(gòu)，能順利通過水通道進(jìn)入細(xì)胞，因表面張力使其緊緊地附著于細(xì)胞膜上，不產(chǎn)生正負(fù)電荷相吸效應(yīng)，水分子內(nèi)聚高能電荷量，增加細(xì)胞的膜電位，促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝和自我修復(fù)能力，從而增強(qiáng)機(jī)體免疫力。小分子團(tuán)水呈弱堿性，其溶氧量可達(dá)到9.6mg/L，具有較強(qiáng)的滲透性，能夠迅速的進(jìn)入人體組織及細(xì)胞，加快廢物的排出和養(yǎng)分的補(bǔ)充，改善微循環(huán)，使人體體液酸堿平衡，增加細(xì)胞活力，促進(jìn)新陳代謝。小分子團(tuán)水具有較強(qiáng)的溶解性，能溶解血管壁上的雜質(zhì)，恢復(fù)血管彈性，促進(jìn)礦物質(zhì)和微量元素電解為離子，提高其吸收率，可預(yù)防高血壓、動(dòng)脈硬化等疾病[11]。

4 水分子定向調(diào)控技術(shù)在食品及煙草行業(yè)上應(yīng)用 ?在食品行業(yè)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短加工時(shí)間、降低原料損耗等目的，工人們會(huì)根據(jù)食品的種類和需要采用合適的方法處理加工用水[12]。例如，在啤酒生產(chǎn)中，采用磁場強(qiáng)度為2000～3000Gs的磁化水可以顯著提高大麥發(fā)芽力，增強(qiáng)麥芽和酵母的活力，縮短發(fā)酵時(shí)間，加速酒的后熟[13]。采用中空纖維真空脫氣裝置，通過氣體分離膜除去溶解在水中能影響食品質(zhì)量的氧、氮和二氧化碳等氣體;脫氣水具有較好的滲透性，在豆腐、豆乳制造過程中，可提高原料利用率及生產(chǎn)效率。蔬菜、魚貝經(jīng)麥飯石處理，不易變色，組織堅(jiān)實(shí)，可延長保鮮期[14]。

水可理解為卷煙工藝上最大的香精香料。在煙草行業(yè)，有相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)將市售各種功能水、有關(guān)科研機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的特殊功能水、日常生產(chǎn)生活用水等應(yīng)用在卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)中，評(píng)價(jià)不同水對產(chǎn)品感官品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，大部分水對卷煙產(chǎn)品感官品質(zhì)呈正面影響，部分經(jīng)過處理后的水能提高卷煙香氣的豐滿度、柔和煙氣、提高舒適性等[15]。為豐富煙梗預(yù)處理工藝，節(jié)約生產(chǎn)能源，王學(xué)軍等[16]利用永久強(qiáng)磁小分子團(tuán)水處理器處理浸梗用水，其用處理后的水浸梗后，不經(jīng)過蒸梗工序，煙梗的回透率可達(dá)到99.3%。由此可見，卷煙加工用水的質(zhì)量能直接或間接地影響卷煙的內(nèi)在質(zhì)量。

5 結(jié)束語

目前很多企業(yè)在線生產(chǎn)用水均采用自來水，水的利用還停留在較低層次和較粗放的水平上，這難免會(huì)給產(chǎn)品加工質(zhì)量帶來負(fù)面影響。補(bǔ)水功能只是水全部功能的一小部分，因此，在日常生活中，應(yīng)該根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)乃幚矸椒?，這對于提高水的綜合利用效能、提升產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)以及精益制造水平具有重要價(jià)值。

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